Здесь мы описываем метод генерации органоидов глиобластомы (GBM) из первичных образцов пациента или клеточных культур пациента и поддержания их до зрелости. Эти органоиды GBM содержат фенотипически разнообразные клеточные популяции и воссоздают микроокружение опухоли ex vivo.
Глиобластома (ГБМ) является наиболее часто встречающимся первичным злокачественным раком головного мозга с крайне плохим прогнозом. Внутриопухолевые клеточные и молекулярные различия, а также сложные взаимодействия между микроокружениями опухоли могут сделать поиск эффективных методов лечения проблемой. Традиционные методы адгезивного или сферного культивирования могут маскировать такие сложности, тогда как трехмерная органоидная культура может повторять региональные микроокружательные градиенты. Органоиды представляют собой метод трехмерной культуры GBM, который лучше имитирует архитектуру опухоли пациента, содержит фенотипически разнообразные клеточные популяции и может быть использован для экспериментов со средней пропускной способностью. Хотя трехмерная органоидная культура более трудоемка и трудоемка по сравнению с традиционной культурой, она предлагает уникальные преимущества и может служить для преодоления разрыва между существующими системами in vitro и in vivo . Органоиды зарекомендовали себя как бесценные инструменты в арсенале биологов рака, чтобы лучше понять поведение опухоли и механизмы резистентности, и их применение только продолжает расти. Здесь приведены подробные сведения о методах генерации и поддержания органоидов GBM. Также описаны инструкции о том, как выполнять встраивание и секционирование образца органоида с использованием как замороженных, так и парафиновых методов встраивания, а также рекомендации по протоколам иммуногистохимии и иммунофлуоресценции на органоидных участках и измерению общей жизнеспособности органоидных клеток.
Глиобластома (GBM) является наиболее часто встречающейся первичной опухолью головного мозга с мрачным прогнозом примерно 15 месяцев с момента постановки диагноза1. Методы лечения, которые эффективны в доклинических исследованиях, часто могут быть плохо эффективными у пациентов 2,3. Плохой клинический ответ объясняется многими факторами, включая микроокружательную гетерогенность GBM и сложные внутриопухолевые взаимодействия. Их может быть трудно воссоздать в лабораторных условиях с помощью традиционных методов адгезивной или сферной культуры4. Наличие подмножества самообновляющихся раковых стволовых клеток (CSC) в GBM также может способствовать этой сложности 5,6. CSC имеют решающее значение для распространения опухоли и поддержания роста опухоли, способствуя активному ангиогенезу, инвазии рака и устойчивости к терапии, включая облучение 7,8,9. CSC не равномерно распределены по опухолям, а скорее обогащаются в определенных микросредах, включая периваскулярную нишу и перинекротические области, каждая из которых обеспечивает четкую молекулярную регуляцию своих клеточных состояний 10,11,12,13,14. CSC не являются пассивными получателями сигналов микросреды, а вместо этого обладают способностью реконструировать свои собственные микросреды 7,15,16. Микроокружение CSC может способствовать поддержанию состояния стволовых клеток в ответ на такие давления, как дефицит питательных веществ, рН и гипоксия 17,18,19,20, что свидетельствует о важности этих условий в модельной системе. Поэтому рекапитуляция разнообразной клеточной микросреды в опухолях имеет решающее значение для понимания терапевтической резистентности и выявления новых методов лечения.
Трехмерная культура возросла в популярности в последниегоды на 21,22. Органоиды использовались в других типах рака, и основная цель поддержания клеток в качестве органоидов заключается в том, чтобы обеспечить рост гетерогенных клеточных популяций (многие из которых обычно могут быть вытеснены в более однородной культуре сферы) и пространственного разнообразия, рассматриваемого как региональные микросреды опухолей с генетической специфичностью 4,23,24,25,26 . Существует множество методов трехмерной культивирования раковых клеток, каждый из которых имеет преимущества и недостатки 27,28,29. Органоидная культура не предназначена для замены традиционной адгезивной или сферной культуры. Его лучше всего использовать в качестве дополнительного метода к двумерным методам, когда есть конкретные вопросы, где взаимодействие между микроокружением клеток и реакциями опухолевых клеток имеет решающее значение.
В этой статье описываются надежные и повторяемые методы получения органоидов GBM из первичных образцов пациентов или культур, полученных от пациента. Мы рассматриваем две различные цели для трехмерной органоидной культуры: (1) создание органоидов из первичной ткани пациента с максимальным потенциалом приживления независимо от однородности или (2) выращивание однородных органоидов для более количественного экспериментального использования. При установлении первичного образца в качестве органоидов нет необходимости фильтровать отдельные клетки или подсчитывать клетки, потому что сохранение максимального количества и типов клеток для установления исходной культуры является приоритетом. Однако при выращивании органоидов для сравнительных экспериментов необходима одноклеточная фильтрация и подсчет клеток, чтобы гарантировать, что реплицируемые органоиды сопоставимы по экспериментальной консистенции. В этом протоколе подробно описывается, как создавать органоидные культуры и создавать однородные органоиды, а также усовершенствованные методы встраивания и сохранения органоидов и стандартные эксперименты с клеточными культурами, включая иммуногистохимию, иммунофлуоресценцию и оценку общей жизнеспособности клеток в органоидах GBM.
Органоиды GBM являются дополнительным методом культивирования к традиционным сферам, которые включают большую клеточную и микросреду гетерогенность 4,22,30. Несмотря на то, что органоидная культура требует больше времени и ресурсов, она может дать ценную информацию о внутриопухолевом поведении и механизмах лекарственной устойчивости.
GBM управляется населением CSC 5,31, и эти методы были разработаны, чтобы обеспечить дальнейший рост и самообновление этой популяции CSC. Известно, что эпидермальный фактор роста (EGF) и фактор роста фибробластов (FGF) улучшают поддержание и рост стволовых клеток и обеспечивают передачу сигналов активной рецепторной тирозинкиназы (RTK). Формирование гетерогенных клеточных популяций и различных микросред опухоли в опухолях GBM зависит от поддержки поведения CSC. Выбор lrECM имитирует богатую ламининами среду мозга и поддерживает клетки в органоидной культуре для самоорганизации и миграции путем инвазии. Хотя некоторые группы создали органоидную культуру без использования lrECM или EGF/FGF обогащенной среды24,28, которая может предложить более эффективный по времени способ этого метода культивирования и более сильный отбор онкогенной сигнализации для стимулирования роста, эти методы были выбраны для оптимизации среды простековых клеток, чтобы наилучшим образом установить клеточную гетерогенность органоидов. Как церебральные органоиды, так и органоиды GBM были сделаны с lrECM в литературе ранее 21,32,33. Хотя мы установили данные о популяциях опухолей, обнаруженных в органоидах, и пространственных вариациях, меньше известно о неопухолевых популяциях внутри органоидов и о том, как долго они выживают от исходных образцов пациентов. Некоторые пятна IHC (такие как CD45) могут предоставить эти данные и могут быть интересной точкой исследования в будущем с органоидами.
Знание предполагаемого использования органоидной культуры важно для выбора соответствующих методов. Создание органоидов из первичных образцов по сравнению с выращиванием однородных органоидов для конкретных экспериментов имеет несколько разные процедуры. Понимание того, как органоиды созревают и визуально заполняют каркас lrECM, важно для того, чтобы иметь возможность выделять надлежащее время и ресурсы на органоидную культуру. Разреженные области клеток в органоидах будут медленно расширяться и расти, чтобы заполнить lrECM, что может занять от 2 до 8 недель, в зависимости от поведения образца. Эта скорость роста в некоторой степени присуща каждому экземпляру; она сохраняется на разных партиях органоидов и вполне соответствует относительной скорости роста сфер. Органоиды могут сохраняться более 1 года и сохранять способность к образованию опухолей на ксенотрансплантате у мышей; однако рекомендуется выращивать их с определенной целью, чтобы не тратить лабораторные ресурсы (как материалы, так и время)4. Рост органоидов был протестирован в нескольких размерах и форматах скважин и показывает, что пластина размером 10 см является идеальной установкой для поддержания оптимальной жизнеспособности клеток, за которой следует 6-луночная пластина с тремя органоидами наскважину 34. Органоиды потребляют больше среды по сравнению с их двумерными аналогами культуры, и использование меньшего формата скважины не приводит к надлежащему обслуживанию. Например, одна скважина пластины формата 96 лунок не имеет достаточного пространства или объема среды относительно размера органоида для поддержания роста органоида.
Как устанавливают органоиды, наблюдательность важна для увеличения успеха. Первоначально органоиды будут потреблять среду медленно, но по мере того, как они становятся более плотными и зрелыми, они будут потреблять медиа быстрее. Добавление фенольного красного в среду может помочь служить индикатором потребления среды. Когда среда становится более желтой, это может побудить нас скорректировать схему кормления, будь то обмен большим объемом среды, увеличение общего количества среды в пластине, разделение органоидов между пластинами нескольких клеточных культур, чтобы идти в ногу с их ростом, или даже корректировка временной шкалы для экспериментов.
Во многих отношениях органоиды являются неэффективным способом проведения исследований рака. Они имеют длительные временные масштабы и являются дорогостоящими и ресурсоемкими по сравнению с культурой сферы GBM. Однако, по сравнению с ксенотрансплантатами, полученными от пациентов, альтернативным методом воссоздания клеточного и микроокружного разнообразия, они более просты, менее дороги и контролируемы. Выбор того, когда лучше всего использовать органоиды, важен для исследователей рака. Они не предназначены для замены традиционной сферы или адгезивной культуры и не для замены моделей ксенотрансплантатов. Органоиды могут, при применении к правильному научному вопросу, сочетать преимущества обеих этих систем и могут позволить нам наблюдать биологию опухолевых клеток, которая в противном случае оставалась бы скрытой. Научное сообщество только начинает понимать, какие возможности обучения предлагают органоиды, но ясно, что они станут бесценным инструментом в будущем для понимания сложной биологии GBM.
The authors have nothing to disclose.
Мы хотели бы поблагодарить д-ра Джастина Латию за его бесценные советы и постоянную поддержку. Мы также благодарим Катрину Файф, Лизу Уоллес и Майю Камхи за отличную техническую поддержку.
3,3-Diaminobenzidine (DAB) tablets | MP Biomedicals | 08980681 | 3,3-Diaminobenzidine (DAB) tablets |
96-well PCR plates | ThermoFisher Scientific | 96-well PCR plates | |
Accutase | ThermoFisher Scientific | SCR005 | Cell detachment solution |
Antibiotic-antimycotic | ThermoFisher Scientific | 15240062 | Antibiotic-antimycotic |
B-27 supplement minus vitamin A | ThermoFisher Scientific | 12587001 | B-27 supplement minus vitamin A (50x) |
GelCode Blue Stain Reagent | ThermoFisher Scientific | 24590 | Bluing reagent |
Cell strainer (70 µm) | CellTreat Scientific | 229483 | Cell strainer (70 µm) |
CellTiter-Glo 3D | Promega | G9681 | Luminescent cell viability assay |
Clarifier 2 | ThermoFisher Scientific | 7301 | Nuclear hematoxylin clarifying reagent |
Clear-Rite 3 | ThermoFisher Scientific | 6901 | xylene substitute |
Epredia Gill 2 Hematoxylin | ThermoFisher Scientific | 72504 | Hematoxylin |
Glutamine in 0.85% NaCl | ThermoFisher Scientific | 35050061 | Glutamine in 0.85% NaCl (200 mM) |
Matrigel | ThermoFisher Scientific | 354234 | Laminin-enriched extracellular matrix |
Mini PAP pen | ThermoFisher Scientific | 008877 | Hydrophobic barrier pen |
Mounting medium | ThermoFisher Scientific | 22-050-102 | Mounting medium |
Neurobasal media minus phenol red | ThermoFisher Scientific | 12349015 | Neurobasal media minus phenol red (500 mL) |
Normal donkey serum (NDS) | Jackson ImmunoResearch | 017-000-121 | Normal donkey serum (NDS) |
Paraformaldehyde 4% in PBS | ThermoFisher Scientific | AAJ19943K2 | Paraformaldehyde 4% in PBS |
Phenol red | Sigma | P0290 | Phenol red (0.5%) |
ProLong Gold Antifade Mountant with DAPI | ThermoFisher Scientific | P10144 | Liquid curing mountant |
Recombinant human EGF protein | R&D systems | 236-EG-01M | Recombinant human EGF protein (250 µg/mL) |
Recombinant human FGF basic | R&D systems | 4144-TC-01 | Recombinant human FGF basic (250 µg/mL) |
SignalStain Antibody Diluent | Cell Signaling | 8112 | Antibody diluent |
SignalStain Boost IHC Detection Reagent | Cell Signaling | 8114 | Immunohistochemistry detection reagent |
SignalStain Citrate Unmasking Solution | Cell Signaling | 14746 | Citrate unmasking solution |
Single edge razor blade | Uline | H-595B | Single edge razor blade |
Sodium pyruvate | ThermoFisher Scientific | 11360070 | Sodium pyruvate (100 mM) |
Tissue-Tek Cryomolds | VWR | 25608-916 | Disposable cryomolds |
Tissue-Tek O.C.T. Compound | VWR | 25608-930 | Optimal cutting temperature compound |
Trypan Blue Stain | ThermoFisher Scientific | T10282 | Cell impermeant stain (0.4%) |
Xylene | ThermoFisher Scientific | X3P-1GAL | Xylene |